Sóng hài là gì? Cấu tạo, Ảnh hưởng & Giải pháp xử lý

Sóng hài (Harmonic) là một trong những vấn đề lớn nhất về chất lượng điện năng, gây ra nhiều tổn thất và rủi ro nghiêm trọng cho hệ thống điện công nghiệp và dân dụng hiện đại. Việc hiểu rõ sóng hài là gì, nguyên nhân phát sinh và các giải pháp lọc sóng hài hiệu quả là yếu tố then chốt để bảo vệ thiết bị và tối ưu hóa chi phí vận hành.

Sóng hài (Harmonic) là gì?

Khái niệm sóng hài trong hệ thống điện

Sóng hài là các thành phần điện áp hoặc dòng điện hình sin, có tần số là bội số nguyên lần của tần số cơ bản của hệ thống (thường là 50 Hz hoặc 60 Hz).

Trong hệ thống điện lý tưởng, dòng điện và điện áp có dạng hình sin hoàn hảo với tần số cơ bản (f_b). Tuy nhiên, sự xuất hiện của các tải phi tuyến làm méo mó dạng sóng này, tạo ra một dạng sóng hỗn hợp không còn là hình sin thuần túy.

Theo lý thuyết Phân tích Fourier, bất kỳ dạng sóng điện không sin tuần hoàn nào cũng có thể được phân tích thành tổng của:

1. Thành phần cơ bản (Fundamental): Sóng hình sin ở tần số cơ bản (50 Hz).
2. Các thành phần sóng hài: Một chuỗi các sóng hình sin có tần số cao hơn, chính là sóng hài.

Tần số sóng hài (f_h) được tính bằng tích của bậc sóng hài (h) và tần số cơ bản (f_b).

• h là bậc sóng hài (là số nguyên dương: 2, 3, 4, 5, …).
• f_b là tần số cơ bản (ví dụ: 50 Hz).
• Ví dụ: Với f_b = 50 Hz, sóng hài bậc 5 sẽ có tần số là 5 x 50 Hz = 250 Hz.

Sóng hài không mang năng lượng hữu ích để sử dụng cho tải mà chủ yếu chuyển hóa thành nhiệt năng (do tổn thất đồng tăng), gây tổn thất năng lượng và giảm tuổi thọ thiết bị.

Độ méo sóng hài (THD) là gì?

Độ méo sóng hài (Total Harmonic Distortion – THD) là chỉ số quan trọng dùng để định lượng tổng mức độ biến dạng của dạng sóng điện áp hoặc dòng điện so với dạng sóng hình sin lý tưởng. Đây là thước đo định lượng cho “độ sạch” của dạng sóng điện.

Công thức tính THD dựa trên tỷ số giữa tổng giá trị hiệu dụng (RMS) của tất cả các thành phần sóng hài bậc cao (từ bậc 2 trở lên) so với giá trị hiệu dụng của thành phần cơ bản. THD càng cao, dạng sóng càng bị méo mó.

• THD thấp (thường < 5%): Dạng sóng gần với hình sin lý tưởng, hệ thống vận hành hiệu quả.
• THD cao (thường > 10%): Dạng sóng bị méo mó nghiêm trọng, có nguy cơ gây lỗi, quá nhiệt và sập hệ thống.

Bậc sóng hài (Harmonic Order) là gì?

Bậc sóng hài (h) là tỷ số giữa tần số sóng hài và tần số cơ bản, là yếu tố quyết định tính chất và ảnh hưởng của sóng hài đó.

• Sóng hài bậc 1: Là thành phần cơ bản (50 Hz).
• Sóng hài bậc cao: Bậc 2, 3, 4, … Là các thành phần có tần số gấp 2, 3, 4, … lần tần số cơ bản.

Nguyên nhân sinh ra sóng hài trong hệ thống điện

Nguyên nhân cốt lõi sinh ra sóng hài là sự xuất hiện của tải phi tuyến (Non-linear load). Tải phi tuyến là các thiết bị mà quan hệ giữa dòng điện tiêu thụ và điện áp đặt vào không phải là tuyến tính (không tuân theo định luật Ohm đơn giản R=V/I). Chúng thường sử dụng các bộ chỉnh lưu (rectifier) để chuyển đổi dòng xoay chiều thành một chiều, dẫn đến dòng điện được cấp cho tải bị cắt xén (chỉ tiêu thụ ở các đỉnh của điện áp sin) và có dạng không sin ngay cả khi điện áp cung cấp là hình sin hoàn hảo.

Sóng hài khác gì nhiễu điện?

Đặc điểm	Sóng hài (Harmonic)	Nhiễu điện (Noise/EMI)
Bản chất	Sóng hình sin, tần số là bội số nguyên của tần số cơ bản (n lần 50 Hz). Dạng sóng có thể dự đoán được.	Tín hiệu ngẫu nhiên, xung điện, tần số rất cao (thường lớn hơn hoặc bằng 2 kHz), không phải bội số nguyên.
Nguồn gốc	Tải phi tuyến (Biến tần, UPS, nguồn xung, Lò hồ quang).	Hiện tượng chuyển mạch đột ngột, phóng điện, sét đánh, thiết bị đóng cắt cơ khí.
Tác động	Tăng tổn thất nhiệt (I^2 R), quá tải dây trung tính, giảm hiệu suất máy biến áp và động cơ.	Lỗi truyền thông (PLC, Data), mất dữ liệu, nhiễu tín hiệu điều khiển điện tử.
Giải pháp	Bộ lọc sóng hài chuyên dụng (AHF, PHF, Cuộn kháng).	Lọc EMI/RFI, cáp chống nhiễu, nối đất/che chắn (Shielding) tốt.

Phân loại sóng hài

Việc phân loại sóng hài giúp xác định nguồn gốc và lựa chọn giải pháp xử lý phù hợp.

Sóng hài bậc thấp – Ảnh hưởng lớn nhất

Đây là các bậc sóng hài phổ biến và thường có biên độ lớn nhất, gây ra những ảnh hưởng nghiêm trọng nhất.

• Sóng hài bậc 3 (Triplens): Đặc biệt nguy hiểm trong hệ thống 3 pha 4 dây (có dây trung tính). Vì chúng là các thành phần đồng pha (zero-sequence), nên không triệt tiêu mà lại cộng lại trong dây trung tính, làm dòng điện trung tính có thể tăng cao gấp 3 lần dòng pha. Điều này gây quá nhiệt, cháy nổ dây trung tính và cháy máy biến áp nếu máy biến áp được đấu nối kiểu Delta-Wye.
• Sóng hài bậc 5 và 7: Thường gặp nhất do các tải 6-xung (như biến tần 6-pulse, các bộ chỉnh lưu tiêu chuẩn) gây ra. Chúng tạo ra từ trường quay ngược chiều với từ trường cơ bản trong động cơ và máy phát, làm giảm mô-men xoắn hữu ích, tăng rung động và gây quá nhiệt nghiêm trọng.

Sóng hài bậc cao

Thường có biên độ nhỏ hơn, nhưng nếu tồn tại, chúng có thể gây lỗi cho các thiết bị điện tử nhạy cảm, làm tăng tổn thất tần số cao trong lõi từ hoặc gây nhiễu cho các hệ thống truyền thông điều khiển.

Sóng hài lẻ & sóng hài chẵn

• Sóng hài lẻ (Odd Harmonics): Bậc 3, 5, 7, 9, … Hầu hết các tải phi tuyến hoạt động đối xứng (biến tần, UPS) chỉ sinh ra sóng hài lẻ. Đây là loại phổ biến nhất.
• Sóng hài chẵn (Even Harmonics): Bậc 2, 4, 6, … Thường sinh ra do tải làm việc không đối xứng hoặc sự khác biệt về đặc tính giữa chu kỳ bán sóng dương và âm của thiết bị (ví dụ: máy hàn, lò hồ quang, hoặc lỗi mạch DC Offset). Sự hiện diện của sóng hài chẵn thường là dấu hiệu của sự cố hoặc sự mất cân bằng tải nghiêm trọng.

Các nguồn phát sinh theo bậc sóng hài

Bậc sóng hài sinh ra liên quan mật thiết đến cấu tạo của tải phi tuyến, đặc biệt là số lượng xung chỉnh lưu (q-pulse).

• Tải 6-xung (Phổ biến): Sinh ra bậc h = (k nhân 6) cộng hoặc trừ 1. Kết quả là bậc 5, 7, 11, 13, 17, 19, …
• Tải 12-xung (Ít phổ biến hơn): Sinh ra bậc h = (k nhân 12) cộng hoặc trừ 1. Chủ yếu sinh ra bậc 11, 13, 23, 25, … (giảm đáng kể bậc 5 và 7).

Ảnh hưởng của sóng hài đến hệ thống điện

Sóng hài gây ảnh hưởng tiêu cực đến hầu hết các thành phần trong hệ thống điện, dẫn đến tăng chi phí vận hành, giảm hiệu suất và rủi ro an toàn.

Đối với thiết bị điện công nghiệp

• Nóng cuộn dây, cháy thiết bị: Dòng điện sóng hài làm tăng đáng kể dòng điện hiệu dụng (RMS) tổng thể. Dòng điện RMS tăng lên sẽ làm tăng tổn thất nhiệt theo công thức tổn thất đồng I^2 R. Quá nhiệt cục bộ do tổn thất dòng điện xoáy (Eddy Current) tăng theo bình phương tần số.
• Giảm tuổi thọ thiết bị: Nhiệt độ tăng cao kéo dài làm suy giảm chất lượng vật liệu cách điện (insulation), đẩy nhanh quá trình lão hóa, giảm nghiêm trọng tuổi thọ của động cơ, máy biến áp và cáp điện.
• Giảm hiệu suất động cơ: Sóng hài bậc 5 và 7 tạo ra từ trường quay ngược chiều, làm giảm mô-men xoắn (torque) của động cơ, buộc động cơ phải tiêu thụ dòng lớn hơn để duy trì tốc độ, dẫn đến hiệu suất thấp hơn.

Đối với biến tần – UPS – Data Center

• Lỗi báo quá dòng, quá áp: Sóng hài gây ra các đỉnh áp, đỉnh dòng giả, làm các thiết bị bảo vệ (relay, sensor) của biến tần/UPS báo lỗi (trip) hoặc ngắt mạch không cần thiết.
• Sập hệ thống, reset controller: Điện áp sóng hài làm méo dạng sin của điện áp lưới, ảnh hưởng đến khả năng lấy mẫu và hoạt động ổn định của các bộ điều khiển nhạy cảm (PLC, VFD) và có thể gây sập (reset hoặc trip) toàn bộ hệ thống sản xuất.

Đối với lưới điện & máy biến áp

• Tổn thất điện năng tăng: Dòng điện sóng hài gây tăng tổn thất trên lưới điện và trong các cuộn dây của máy biến áp.
• Phát nhiệt bất thường và giảm khả năng tải (Derating): Máy biến áp bị nóng bất thường do tổn thất dòng Foucault và tổn thất dòng xoáy tăng lên theo bình phương tần số. Các máy biến áp có sóng hài cao cần phải được giảm công suất tải (derating) theo tiêu chuẩn ANSI/IEEE C57.110.

Giải pháp xử lý sóng hài hiệu quả

Các giải pháp xử lý sóng hài tập trung vào việc triệt tiêu dòng điện sóng hài tại nguồn phát sinh hoặc ngăn chặn chúng lan truyền vào hệ thống, đảm bảo THD nằm trong giới hạn cho phép (thường là dưới 5% I_THD).

Lọc sóng hài bằng cuộn kháng (Reactor)

Cuộn kháng (Reactor) là giải pháp cơ bản và tiết kiệm, thường được lắp đặt kèm với các tải phi tuyến để cải thiện chất lượng dòng điện:

• Cuộn kháng lọc sóng hài (AC/DC Reactor): Lắp đặt ở đầu vào (AC) hoặc mạch DC của biến tần. Cuộn kháng giúp làm phẳng dạng sóng dòng, giảm I_THD từ 40% xuống khoảng 30%-35%. Đây là mức giảm vừa phải, thường không đủ để đáp ứng các tiêu chuẩn khắt khe.
• Cuộn kháng chặn sóng hài (Tuning Reactor): Đây là giải pháp bắt buộc khi lắp đặt tụ bù. Cuộn kháng được lắp nối tiếp với tụ bù để tạo thành mạch cộng hưởng có tần số tự nhiên thấp hơn các bậc sóng hài nguy hiểm (thường 4.2 lần tần số cơ bản, tương đương 210 Hz), dịch chuyển điểm cộng hưởng ra khỏi bậc 5 (250 Hz) và bậc 7, tránh hiện tượng cộng hưởng nguy hiểm gây nổ tụ.

Bộ lọc sóng hài thụ động (Passive Harmonic Filter – PHF)

• Cấu tạo, nguyên lý: PHF là sự kết hợp của cuộn kháng (L), tụ điện (C) và điện trở (R) được thiết kế để tạo thành mạch cộng hưởng LC có trở kháng cực thấp tại một (hoặc nhiều) tần số sóng hài cụ thể (ví dụ: chỉ lọc bậc 5 và 7). Dòng sóng hài sẽ bị “hút” vào mạch lọc này thay vì đi ngược vào lưới.
• Ứng dụng & hạn chế: Phù hợp cho tải cố định, công suất lớn. Hạn chế: Kích thước lớn, dễ bị quá tải hoặc hỏng hóc khi tần số cộng hưởng của lưới thay đổi, chỉ lọc được bậc hài đã định trước, và có thể gây bù công suất phản kháng quá mức dẫn đến quá áp.

Bộ lọc sóng hài tích cực (Active Harmonic Filter – AHF) – Giải pháp công nghệ cao

• Cấu tạo: Sử dụng công nghệ điện tử công suất hiện đại (IGBTs) và bộ điều khiển DSP (Digital Signal Processor) tốc độ cao.
• Nguyên lý hoạt động (Tiêm dòng ngược pha): AHF hoạt động song song với tải phi tuyến. Bộ điều khiển liên tục đo sóng hài dòng điện mà tải tạo ra. Sau đó, AHF tạo ra một dòng điện sóng hài bù có biên độ bằng chính xác và pha ngược 180 độ so với dòng sóng hài của tải (phương pháp tiêm dòng ngược pha). Khi dòng bù này được tiêm vào lưới và cộng với dòng sóng hài của tải, chúng triệt tiêu lẫn nhau, làm cho dòng điện tổng thể nhìn từ lưới vào gần như là hình sin hoàn hảo.
• Ưu điểm vượt trội so với PHF:
  • Lọc đa năng: Lọc được nhiều bậc sóng hài cùng lúc (thường đến bậc 50).
  • Linh hoạt: Tự động điều chỉnh dòng bù để thích ứng với sự thay đổi nhanh chóng của tải (ví dụ: robot, máy hàn).
  • Chủ động: Có thể bù cả công suất phản kháng (giảm chi phí lắp đặt thêm tụ bù).
  • Kích thước nhỏ gọn hơn đáng kể so với PHF.

Khi nào nên chọn AHF – Khi nào chọn PHF? (Bảng so sánh)

Tiêu chí	Bộ lọc Thụ động (PHF)	Bộ lọc Tích cực (AHF)
Hiệu suất lọc	Chỉ lọc được bậc hài đã định, hiệu suất giảm khi THD thay đổi.	Lọc đa bậc (thường đến bậc 50), hiệu suất cao (> 95%), ổn định.
Khả năng thích ứng tải	Kém (Hiệu suất giảm khi tải thay đổi).	Tốt (Tự động thích ứng với thay đổi tải trong miligiây).
Cộng hưởng	Có nguy cơ gây cộng hưởng với lưới điện nếu không thiết kế chính xác.	Không gây cộng hưởng, thậm chí có thể giảm cộng hưởng của hệ thống.
Giá thành	Thường thấp hơn AHF (cho cùng công suất).	Thường cao hơn nhưng linh hoạt và hiệu quả hơn.
Phù hợp	Tải lớn, cố định, yêu cầu lọc sóng hài bậc thấp, chi phí thấp là ưu tiên.	Tải nhạy cảm, tải thay đổi liên tục (Data Center, Robot, Biến tần đa cấp), yêu cầu bù công suất phản kháng.

Quy trình triển khai xử lý sóng hài trong nhà máy – Data Center

Quy trình chuẩn để đảm bảo giải pháp lọc sóng hài đạt hiệu quả tối ưu và phù hợp với tiêu chuẩn.

1. Khảo sát & Đo đạc THD chi tiết

Sử dụng máy phân tích chất lượng điện năng chuyên dụng (Power Quality Analyzer) để đo lường và ghi lại V_THD, I_THD, phổ sóng hài chi tiết tại Điểm Kết Nối Chung (PCC) và các busbar chính. Dữ liệu cần được thu thập liên tục trong khoảng thời gian đủ dài (tối thiểu 7 ngày theo tiêu chuẩn) để nắm bắt chu kỳ làm việc và tải thay đổi của nhà máy.

2. Phân tích phụ tải phi tuyến

Xác định tổng công suất, số lượng và đặc tính của từng loại tải phi tuyến (biến tần, UPS, nguồn xung). Phân tích này giúp xác định tổng dòng sóng hài mà hệ thống đang phát ra và biên độ của các bậc sóng hài chính (chủ yếu là bậc 5, 7, 11, 13 và bậc 3 Triplens).

3. Tính toán & Lựa chọn giải pháp tối ưu

Dựa trên kết quả đo và phân tích tải, tiến hành tính toán công suất lọc cần thiết (kVAr) và lựa chọn công nghệ lọc (AHF, PHF, hoặc kết hợp Cuộn kháng) để đảm bảo V_THD và I_THD sau khi lọc nằm dưới ngưỡng cho phép của tiêu chuẩn (ví dụ: IEEE 519 quy định I_THD tại PCC thường dưới 5-8% tùy theo công suất ngắn mạch).

4. Lắp đặt – Chạy thử – Giám sát liên tục

Lắp đặt tủ lọc sóng hài tại vị trí tối ưu (gần nguồn sóng hài hoặc tại thanh cái chính), sau đó chạy thử nghiệm. Sau khi lắp đặt, cần đo đạc lại chất lượng điện năng để xác nhận hiệu quả lọc. Cài đặt hệ thống giám sát liên tục để đảm bảo hiệu suất lọc không bị suy giảm theo thời gian và sự thay đổi của tải.

Servo Dynamics Engineering: Nhà phân phối chính thức được ủy quyền của Schaffner tại Việt Nam

Với vai trò là nhà phân phối chính thức được ủy quyền của Schaffner tại Việt Nam, Servo Dynamics Engineering cam kết cung cấp các giải pháp lọc sóng hài (AHF, PHF) và cuộn kháng chất lượng cao, giúp khách hàng giải quyết triệt để các vấn đề về chất lượng điện năng, đảm bảo vận hành ổn định và tiết kiệm chi phí. Liên hệ với chúng tôi để được tư vấn khảo sát và triển khai quy trình xử lý sóng hài chuyên nghiệp.